并联机床加工船用螺旋桨复杂曲面的动态特性研究

摘要

并联机构具有高速运动性能和可重构设计等优势,在制造领域具有广阔的应用空间。基于并联机构的并联机床在继承了其高速性能等优势的同时,也出现了运动控制困难和误差控制困难等一系列技术难题。本文以6-UPS交叉杆并联机床为研究对象,对并联机床的运动学解算、运动性能分析、含关节间隙的动力学以及刚柔耦合动力学虚拟样机仿真技术等方面进行深入的研究。
　　首先,介绍了本课题的研究背景,总结了并联机床运动学与动力学等关键技术的研究进展与发展趋势,论证了将刚柔耦合动力学分析技术引入到并联机床研究中的必要性与前沿性。
　　其次,采用基于罗德里格斯参数表示旋转矩阵的方法研究了6-UPS交叉杆型并联机床的运动学正解问题,通过分析动平台位置矢量和姿态变量之间的关系,构造出只含有罗德里格斯参数的三元四次方程组,采用牛顿迭代方法完成运动学正解解算过程。
　　然后,通过对机床运动雅克比矩阵的分析,计算得到了交叉杆机构的奇异性轨迹;以雅克比矩阵条件数为灵巧性指标,得到了机构在不同位姿下的灵巧度变化趋势;应用雅克比矩阵特征值对交叉杆机构的静刚度进行分析,通过与一般Stewart机构进行对比,发现两者静刚度系数随坐标值的变化拥有相近似的变化趋势,但交叉杆构型的单项刚度系数的中心对称性更好,在不同位姿下的刚度性能好于一般Stewart机构。
　　接着,考虑将运动副间隙引入到并联机构的动力学分析之中,针对并联机构球铰关节处的间隙变化规律,采用L-N连续接触理论和改进的库伦摩擦定律描述间隙处的相对运动学关系和接触模式的动力学约束关系。在动力学软件仿真平台上,定量分析了不同间隙尺寸、不同加速度下关节间隙对机构动态特性的影响。
　　最后,建立交叉杆并联机床的三维实体模型,对主要运动构件进行有限元分析并导出相关的模态中性文件,在动力学分析软件中建立机床的刚性多体动力学模型,利用柔性处理模块导入模态中性文件,建立机床的刚柔耦合多体动力学模型。之后通过典型运动轨迹仿真对比分析机床重要关节点的运动学与动力学性能,验证了模型的可靠性。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 课题的国内外研究现状及分析

1.3 课题的来源和主要研究工作

第2章6-UPS交叉杆型并联机构运动学正解算法

2.1 并联机构中的机构学基础

2.2 运动基本方程

2.3 运动学正解过程

2.5 本章小结

第3章 6-UPS交叉杆型并联机构运动性能分析

3.1 交叉杆型并联机构的奇异性分析

3.2交叉杆型并联机构的灵巧性分析

3.3交叉杆型并联机构的静刚度分析

3.4 本章小结

第4章 考虑运动副间隙影响的并联机构动力学分析

4.1 含间隙刚体机构的动力学分析方法

4.2 间隙处接触力和摩擦力模型

4.3含运动副间隙的并联机构动态特性分析

4.4 本章小结

第五章 6-UPS交叉杆型并联机床刚柔耦合动力学仿真

5.1 并联机床虚拟样机方案设计

5.2并联机床刚柔耦合模型的建立

5.3 运动学和动力学仿真

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢